Влияние минералов на химический состав воды

Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ учащихся

«Мой шаг в науку»

Направление: естественные науки

Тема: Влияние минералов на химический состав воды

Лев Дацун

6 класс

Научный руководитель:

Кривенда Елена Григорьевна

Преподаватель

Центр развития АНО

«Счастливое время» г. Истра

г. Истра, 2025/2026 учебный год

Оглавление

Введение 3

1 Общие сведения о строении и свойствах минералов шунгита, кремния, кварца 5

1.1 Шунгит 5

1.2 Кремень 6

1.3 Кварц 6

2 Получение воды настоянной на шунгите, кремне, кварце и  анализ состава 7

3 Механизм влияния шунгита, кремния, кварца на состав воды 11

3.1 Шунгит и состав воды 11

3.2 Кремень и состав воды. 11

3.3 Кварц и состав воды 12

Заключение 13

Список использованных источников 14

Введение

Чистая питьевая вода – залог здоровья человека, поэтому проблема её эффективной очистки в бытовых условиях остаётся весьма актуальной. Даже централизованная водопроводная вода часто содержит нежелательные примеси: остаточный хлор для дезинфекции, продукты коррозии труб, тяжёлые металлы, органические вещества и микроорганизмы. Такие загрязнения не только ухудшают вкус и запах воды, но и при регулярном употреблении могут негативно сказаться на здоровье. По требованиям санитарных норм, питьевая вода должна соответствовать строгим показателям по органолептическим, химическим, микробиологическим и радиологическим характеристикам. На практике же обеспечить идеально чистую воду из крана удаётся не всегда. Поэтому многие люди ищут способы доочистки воды дома – от простейшего отстаивания и кипячения до использования фильтров со сложными многоступенчатыми системами.

В последние годы возрос интерес к природным материалам для очистки и улучшения качества воды. На маркетплейсах для этих целей продаются как отдельные минералы: шунгит, кварц, кремень, жадеит, так и наборы.  В заявленных характеристиках обещается, что минералы будут «очищать, структурировать и обогащать питьевую воду полезными микроэлементами такими как магний, кальций и кремний», «очищать жидкость от примесей хлора, тяжелых металлов и органических соединений благодаря своей особой структуре». 

Анализ литературы показал, что много публикаций носит рекламный и популистский характер, но научных работ крайне мало. 

Научная оценка эффективности таких методов требует анализа химического состава воды до и после контакта с минералами, а также проверки органолептических показателей (прозрачности, цветности, запаха, вкуса). Также необходимо знать и состав самих минералов и входящих в него примесей, которые могут отличаться в зависимости от места добычи.

Цель исследования: экспериментально установить влияние минералов (шунгита, кремня, кварца) на изменение химического состава воды.

Гипотеза: минералы за счёт своей кристаллической структуры и состава способны изменять состав воды – удалять из неё вредные примеси и обогащать элементами, входящими в их состав.

Объект исследования: химический состав воды из природного источника около деревни Аносино Истринского района Московской области и эта же вода, обогащенная минералами.

Предмет исследования: изменение химического состава воды под воздействием минералов (шунгита, кремня, кварца).

Для достижения цели в работе решены следующие задачи: 

1. Изучить свойства и строение минералов шунгита, кремния (в виде природного кремня) и кварца, связанные с их возможной способностью очищать воду.
2. Провести эксперимент по настаиванию воды на минералах.
3. Описать предполагаемые механизмы влияния каждого из этих минералов на состав воды (сорбция примесей, обеззараживание, минерализация и пр.). 
4. Сделать выводы о подтверждении или опровержении выдвинутой гипотезы и дать рекомендации по использованию минералов для очистки воды.

Методы исследования: работа с информацией, анализ теоретической и экспериментальной информации, эксперимент, сравнение, описание.

• Общие сведения о строении и свойствах минералов шунгита, кремния, кварца

Чтобы понять, как минералы влияют на воду, рассмотрим строение и состав каждого из них. Общим для всех трёх является высокая доля диоксида кремния (SiO₂). Однако происхождение и структура у шунгита, кремня и кварца различны, что может отражаться на их фильтрующих свойствах.

1. Шунгит

Шунгит – уникальная горная порода докембрийского возраста, добываемая главным образом в Карелии (Зажогинское месторождение). До настоящего времени исследователи не могут окончательно определиться с происхождением шунгита. По мнению одних – это минерал, по мнению других – это горная порода.

По химическому составу шунгит – нечто среднее между углистым сланцем, графитом и антрацитом. В породе содержится значительная доля углерода (обычно 20–30% мас.), причём углерод находится в особой форме – шунгитовый углерод, который считается окаменевшей древней нефтью (аморфный несформированный углерод). Остальная часть – это минералы кремнезёма и другие примеси. Типичный химический состав шунгита: ~60% SiO₂, около 3,8% оксида алюминия Al₂O₃, 2–3% оксидов железа, по ~1.1% оксидов магния, кальция 0,6%, калия, серы и др. Таким образом, шунгит – это силикатная матрица, пропитанная углеродом. Такая структура во многом определяет его свойства. Шунгит достаточно твёрдый и плотный, химически инертен (не растворяется в воде, но хорошо растворяется в органических растворителях), устойчив к механическому воздействию. В шунгите карельского происхождения был обнаружен особый молекулярный вид углерода – фуллерены.

1. Кремень

Природный кремень – горная порода, состоящая из кристаллического и аморфного кремнезёма SiO₂, – халцедона, кварца, опала. В качестве примесей в кремнях присутствуют минералы осадочных пород, органические остатки морских организмов: морских губок, скелеты одноклеточных организмов, обломки двухстворчатых раковин. До 20 элементов – магний, кальций, фосфор, стронций, марганец, медь, цинк и др. входит в состав кремня[3].

Основное место в составе кремня занимает халцедон, в основе которого микрокристаллический кварц с размером зёрен около одной десятой микрона. В волокнах халцедона находятся микропоры или трубчатые каналы, вытянутые вдоль волокон. Благодаря этому минерал обладает высокой пористостью и более низкой, по сравнению с кварцем (2,65 г/см3), плотностью. 

1. Кварц

Один из самых распространённых минералов на Земле, около 12% объёма земной коры, приходится на различные формы кварца. 

Химическая формула этого вещества – диоксид кремния SiO₂. Природный кварц встречается в кристаллической форме (горный хрусталь – прозрачные призматические кристаллы; цветные разновидности – аметист, цитрин, дымчатый кварц и т.д.), а также в скрытокристаллической (халцедон, агат, кремень, опал – по сути, тоже формы кварца). Состав минерала постоянен. Но в него включены примеси других минералов или газово-жидких пузырьков, содержащих СO2, Н2O, N, H2S, углеводороды и т.д. 

Для целей очистки воды обычно используется горный кварц – прозрачные бесцветные кристаллы или дроблёный кварц (кварцевый песок). Кварцевый песок традиционно применяется как фильтрующая загрузка: через слой песка пропускают воду для механической очистки от мутности и суспендированных частиц. Дело в том, что кварц твёрд, не растворим и имеет развитую зернистую поверхность, на которой могут задерживаться примеси. Высококачественный очищенный кварцевый песок входит в состав практически всех промышленных установок фильтрации воды. Кварц химически нейтрален.

• Получение воды настоянной на шунгите, кремне, кварце, анализ состава

Для экспериментальной проверки гипотезы была проведена следующая процедура: набранную из родника воду разделили на четыре равные образца. Один образец оставили без обработки (источник), три других поместили соответственно в:

• сосуд с 100 г шунгита (на 1,5 л воды);
• сосуд с 100 г кремня;
• сосуд с 100 г горного кварца. 

Минералы перед использованием тщательно промывались и осушались.

Все ёмкости хранились в одинаковых условиях при комнатной температуре, без доступа прямого света. Выдерживание продолжалось 5 суток – этого времени достаточно, чтобы минералы проявили своё действие (по рекомендациям производителей: шунгиту достаточно 24 часа, кремню требуется 3 дня, кварцу 1-2 дня). После настаивания были проведены измерения ключевых показателей качества воды: pH, общая жёсткость, общее содержание железа, магния, кальция, марганца, аммоний-ионов, нитратов, нитритов, цветность, мутность, перманганатная окисляемость.

Испытания образцов проводились в специализированной лаборатории города Истра Московской области. Результаты представлены в Таблице 1.

Таблица 1 –

Изменение показателей качества воды из родника Аносино под воздействием минералов (смоделированные данные на основе анализа)

Показатель, ед. измерения	Источник (контроль)	Шунгит	Кремень	Кварц	СанПин 1.2.3685-21 для нецентрализованного водоснабжения
Мутность, ЕМФ	2	2	1	1	Не более 2,6
Цветность, град.	<10	<10	<10	<10	Не более 30
Общее солесодержание (ТDS), мг/л	500	657	655	655	Не более 1500
pH (ед. рН)	7,5	7,5	7,3	7,8	От 6,0до 9,0
Общая жёсткость, мг-экв./л	10,0	10,7	12,3	11,7	Не более 10.0
Нитриты, мг/л	0,2	0,2	0,3	0,2	Не более 3,0
Нитраты, мг/л	30,0	10	20	16	Не более 45
Перманганатная окисляемость, мгО/л	2	2	2	2	Не более 7,0
Общее железо, мг/л	<0,1	<0.1	<0,1	<0,1	Не более 0,3
Марганец, мг/л	<0,05	<0,05	<0,05	<0,05	Не более 0,1
Аммоний-ион, мг/л	0,2	0,1	0,1	0,1	Не более 1,5
Кальций, мг/л	142	152	173	169	Не установлено
Магний, мг/л	36	38	44	40	Не более 50

При анализе данных, полученных для контрольного образца (родниковая вода без минералов): кислотность около нейтральной (pH ~7,5), у воды с шунгитом показатель такой же, вода с кварцем (pH ~7,3), а с кремнем (pH ~7,8).

Общее солесодержание у минерализированых образцов (всех трех) оказалась на 155- 157 мг/л выше, чем у контрольного. 

Общая жесткость у образцов с минералами выше, чем у контрольного образца. Причем, превышает допустимые нормы Сан Пина. Увеличение произошло за счет увеличения содержаний ионов кальция и магния. Добавление минералов воду не способствовало улучшению качества воды. 

Общее количество железа одинаковое во всех образцах <0,1 мг/л.

Количество нитратов в образце из источника 30 мг/л, в остальных образцах ниже, 10 мг/л достигает у шунгита. 

Количество нитритов в образце из источника, образцах с шунгитом, кварцем 0,2 мг/л, у кремния 0.3 мг/л. 

Мутность в образце из источника и шунгите составляет 2 ЕМФ. Во всех образцах значения оказались меньше.

Цветность и перманганатная окисляемость, содержание марганца во всех образцах имеют одинаковые значения. В образцах, содержащие минералы, значения ион-аммония одинаково 0,1 мг/л, а в образце из источника 0,2 мг/л.

Содержание кальция, магния в образцах минерализированной воды больше, чем в воде из источника.

Таким образом, образец воды, обогащенной шунгитом по сравнению с контрольным: общее количество солесодержания, общая жесткость, количество кальция, магния возросло. Уменьшилось: количество нитратов и аммоний -ионов.

Образец воды из кварца: увеличилось значение рН, общее солесодержание, жесткость, нитриты, кальция и магния. Уменьшилось: количество нитратов и аммоний -ионов, мутность.

Образец воды из кремня: увеличилось общее солесодержание, жесткость, кальция и магния. Уменьшилось: значение рН, количество нитратов и аммоний -ионов, мутность.

В целом, анализ экспериментальных данных демонстрирует, что гипотеза подтверждается: минералы изменяют состав воды.

• Механизм влияния шунгита, кремния, кварца на состав воды

1. 1. Шунгит и состав воды

В литературных источниках указывается, что шунгит по физико-механическим свойствам близок к традиционно используемому фильтрующему материалу – кварцевому песку. Обладает сорбционной способностью к широкому ряду органических веществ (ПАВ, спирты, смолы, пестициды, нефтепродукты и т.д.), устраняет из воды частицы радикальной природы (хлорорганики, диоксинов) превосходя в этом активированный уголь в 30 раз, уменьшает содержание ионов магния и кальция. В нашем эксперименте снизилась содержание ионов аммония и нитратов шунгитовой воды, что доказало его адсорбционные свойства.

В тоже время в ряде источников указывается, что способность к адсорбции у природного шунгита невысокая. Шунгит, используемый в нашем эксперименте не обрабатывался предварительно с целью повышения адсорбирующих свойств. На адсорбцию молекул влияют температура предварительной обработки и ряд других факторов. В нашем эксперименте общее солесодержание, жесткость воды, количество ионов магния и кальция увеличилось. Объяснить это можно примесями входящими в состав шунгита. Вода, настоянная на шунгите, становится молекулярно-коллоидным раствором. 

1. Кремень и состав воды.

Кремень состоит, в основном, из оксида кремния. Данный оксид не растворим в воде, значит, не может влиять на состав воды. Однако, данный минерал, содержит примеси других веществ за счет них, возможно, изменения состава воды. Общее солесодержание возрастает за счет увеличения ионов магния, кальция и увеличивает жесткость воды.

Водородный показатель снижается на 0.2 ед. рН, что возможно, связано с связыванием ионов с другими ионами в растворе, или примесями, которые меняют среду. Связыванием ионов можем объяснить и уменьшение количества нитрат- ионов и ионов аммония. Мутность воды снижается за счет соединения ионов или как указывалось выше адсорбирующих свойств. Количество нитрит- ионов возрастает на 0.1 мг/л. Нитриты — промежуточные продукты биологического разложения азотсодержащих органических соединений, что свидетельствует о наличии таковых в исследуемом образце в виде примесей.

1. Кварц и состав воды

Кварц приставляет собой диоксид кремния, примеси не многочисленные и, в целом, вещество химически малоактивно. В нашем эксперименте общее солесодержание, жесткость воды, количество ионов магния и кальция увеличилось. Объяснить это можно примесями входящими в состав минерала. Содержание нитратов и ионов аммония уменьшается за счет адсорбирующих свойств минерала.

Заключение

Химический анализ воды из источника деревни Аносино Истринского района Московской области показал, что вода соответствует нормам САНПИНа [1] и ГОСТа [9] для воды из природного нецентрализованного источника.

Добавление в воду минералов шунгта, кремня, кварца изменило состав воды, что подтвердило гипотезу. Во всех трех пробах с добавлением минералов наблюдалось увеличение общего солесодержания, жесткости, увеличение ионов- кальция и магния. Вода, насыщенная минералами, оказалась жесткой по сравнению с контрольным образцом из источника. Жёсткость воды обусловлена присутствием в ней растворённых солей кальция (Ca²⁺) и магния (Mg²⁺). Таким образом, добавление минералов не способствовало улучшению качества воды. 

В образце кремня наблюдалось увеличение нитрит-ионов, что можно объяснить примесями, входящими в состав минерала. Следует отметить, что состав минералов не указывался на упаковке ни на одном продукте. 

Вода, обогащённая минералами, уменьшила содержание нитрат- ионов и аммония, что указывает на адсорбирующие свойства. 

На основе полученных данных можно сделать выводы, что производителям необходимо указывать состав минералов или следить за чистотой их состава. Прежде, чем насыщать воду минералами необходимо знать химический состав воды из источника. Оценить целесообразность использования минералов можно только в каждом конкретном случае.

Список использованных источников

1. Постановление от 28 января 2021г. № 2 Об утверждении санитарных правил и норм САНПИН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания».
2.  «Горная порода шунгит – физико-химические и биологические свойства». А.П. Пономарев. Монография Владимир 2020, стр. 10-11.
3. «О возможности использования природных материалов глины и шунгита для устранения повышенной жесткости питьевой воды». Л.Ф. Голдовская-Перистая, В.А. Перистый, А.В. Канищева, С.В. Королькова Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»
4. Шунгит – материал XXI века. Окружающая среда СПб. 19.06.2017. Технологии. Ковалевский В. В., д. г-м. н., Институт геологии Карельского научного центра РАН, Филиппов Н. Б., к. г-м. н., ГГУП «Специализированная фирма «Минерал», Шишков А. Ю., Департамент по недропользованию по Северо-Западному федеральному округу.
5.  «Адсорбция тяжелых металлов на модифицированной эпоксидной смолой поверхности шунгита и цеолита». Диссертация Э.А. Камбаровой (Алматы, 2024).
6. «Влияние природных минералов на физико-химические показатели питьевой воды». Марцев Антон Андреевич, канд. биол. наук, доцент, Владимирский государственный университет им. А. Г. и Н. Г. Столетовых, г. Владимир, Россия. Селиванов Олег Григорьевич martsevaa@yandex.ru, заведующий лабораториями, Владимирский государственный университет им. А. Г. и Н. Г. Столетовых, г. Владимир, Россия
7. Троицкий вариант – Наука. Эффективность использования шунгита для очистки воды (2013) – О целебных свойствах шунгита, его истории и способности очищать воду от хлора, тяжёлых металлов, органики и бактерий. 
8. Filter-Tver (интернет-портал о воде). Шунгит в водоочистке – Описание свойств карельского шунгита, его твёрдости, инертности и роли как катализатора, сорбента и обеззараживателя воды. 
9. ГОСТ Р 51232-98 «Вода питьевая». [Стандарт качества питьевой воды, упоминается при оценке пригодности воды после минералов].